矿井提升机恒减速制动系统的组成及应用

刘天林　马宁　刘阳　车强强　王立杰

摘要：多绳摩擦式提升机是地下矿山的生产建设的重要组成部分，制动系统是矿井提升机的重要安全保障。进入新世纪以来，地下矿山的安全形势越来越严峻，恒减速液压站在矿井提升系统中得到广泛应用。通过对恒减速液压站的组成及紧急停车时的油路分析，恒减速液压站具有良好的制动性能，有效提高矿井提升机的安全稳定性。

关键词：矿井提升机;制动装置;液压站;恒减速

1 前言

礦井提升是矿井生产过程中的重要环节，提升机及其辅助设备是地下矿山最重要的大型机电设备之一，是矿井运输中的“咽喉设备”，是井下与地面联系的重要工具，它的状况如何，直接关系到生产的正常进行和人员安全。矿井提升机的任务是沿竖井井筒提升矿石、矸石、下放材料、升降人员和设备等。目前我国生产和使用的矿井提升机可分为缠绕式和摩擦式两大类，相对于单绳缠绕式提升机，多绳摩擦式提升机有提升能力大、提升高度高、安全系数高等优势，许多大型地下矿山采用多绳摩擦式提升机。

矿井提升机主要由井架、天轮、提升容器、钢丝绳、提升机、控制系统、制动装置等组成。制动装置是提升机的重要组成部分，直接关系设备的安全运行。随着科学技术的发展，具有恒减速功能的液压制动装置在矿井提升领域得到广泛应用，ABB公司的液压制动装置恒减速功能较为稳定可靠。

2 恒减速制动液压装置的组成

恒减速液压装置通常包括两个或者四个闸架，两个互为备用的液压站用于向制动单元供油，管路用于连接制动单元及液压站，以及一套PLC控制柜用于提升机的启、停、故障停车控制。

2.1 液压站组成及其功能

制动液压站是提升机制动系统的供油中枢，液压站的控制系统同提升机的拖动类型、自动化程度相匹配。在直流拖动提升系统中，由于提升机的调速性能较好，液压站控制的制动单元一般只是用于提升作业完毕时停车和安全制动。而在交流拖动的提升系统中，液压站除提升完毕时停车和安全制动功能外，因制动单元还参与提升机速度的控制，所以液压站还应具有调节制动力矩的作用，即调节制动油压。以ABB恒减速液压站为例，其组成如下：

2.1.1 油箱

液压站配有一个可容纳200L液压油的油箱，液压油必须通过安装在油箱上的注油过滤器注入，此外油箱上还有油位计;带自控功能的加热器;带循环功能的冷却风机，在冷却液压油的同时能够对油进行循环，过滤油内的杂质;液压站油箱还装配了一个PT100测温元件，PLC控制系统通过PT100传感器获取油温信息，从而对油温进行控制，控制系统内设有4个温度等级，分别为低温油泵无法启动、冷却设备启动温度、高温报警温度、高温故障温度。

2.1.2 主油泵

主油泵为柱塞泵，一台液压站在油箱下面安装一个主油泵。在主油泵的进口管道上配置一个关闭阀，这个关闭阀由一个限位开关进行监控，限位开关可提示控制系统阀门的开关状态，对主油泵进行检修时，无需将油箱内的液压油排出，只需关闭管道的阀门即可检修。

2.1.3 液压控制阀组

在液压站内配置一个液压控制阀组，所有的流量阀、压力阀、比例阀、压力传感器等都安装在其中，这样有利于降低管件的数量，安装过程易操作，同时还可以减少泄露点。出于安全考虑，阀组及其阀门设计有两套并行的降压油路，并且任何一套油路都为安全停止提升机提供足够的油压。

2.1.4 蓄能器

蓄能器的主要作用是在提升机急停时维持制动系统的压力，一般安装在液压站的右侧。蓄能器与阀组直接连接，在阀组中装有阀门对进出蓄能器的油进行控制。蓄能器上安装了一个压力传感器，对充入蓄能器氮气压力进行实时监控。为保证恒减速制动能够有效实施，蓄能器的氮气压力需维持在8.5-10.5MPa。

2.2 基于恒减速液压站的PLC控制柜

该控制柜主要包括AC800系列的CPU模块、电源模块、I/O输入输出模块、底板及机架模块、通讯模块及闸卡模块。矿山提升系统的闸卡模块一般选用BCC-1型控制板。其主要功能为比例控制功能、紧急控制功能，此外闸卡控制模板对提升控制还有一些检测功能，比如测速发电机监视，支持直流电源监测和系统压力指示。

矿井提升机的紧急制动状况减速度的影响因素主要包括有效负载，旋转方向、提升位置、闸瓦和闸盘之间的摩擦系数，这些因素会导致提升机在紧急制动时的减速度存在差异。在提升机的应用中，受这些因素的影响，在紧急停车时可获得的减速度可能太低，超过危险的停止距离，或减速度太高，停车惯性太大，造成人员伤亡、设备损毁。在紧急制动期间，恒力矩制动不能满足减速度在1.5m/s2至5m/s2之间;恒力矩紧急制动时由于制动力矩过大，极易造成提升机滚筒发生滑绳。BCC-1型闸卡的紧急制动功能能够根据提升机的运行工况，引起相同的减速度，即制动转矩递增到减速度的所需值。

3 恒减速制动的工作原理

液压站是矿井提升机制动控制系统的核心组成，ABB恒减速液压站的液压原理图如图1所示。

3.1 提升机急停时的压力供应

矿井提升机正常运行时，制动单元的压力会达到系统设定的最大工作压力PMAX，系统向蓄能器能注入一部分油，使蓄能器的压力达到系统的最大工作压力。如图1所示：提升机在正常制动时，与蓄能器相连的40号方向阀得电，此油路关闭。17号流量阀与40号阀串联，其作用是调整蓄能器的放空时间，一般不得低于VMAX/2S，这个时间对实现提升机的恒减速功能至关重要。19号单向阀与40号阀、17号阀串联，它在40号阀得电关闭时仍可允许油路通过蓄能器;提升机在发生急停时，6号油泵会停止工作，16、32、40号阀门失电，蓄能器通过17号阀门向制动单元释放恒定流量的液压油。

3.2 恒减速急停时的压力降低过程

提升机发生急停时，16、32、40号阀门及主油泵用电机的电源会被切断，此时系统的油将通过11和25号阀门回油箱，直到系统压力达到11号阀设定的压力为11MPa，此时制动块与制动盘接触，系统达到11MPa后，11号阀门关闭，系统的液压油将继续通过25号阀门回油箱，在向油箱回油的过程中，使用电池供电的BCC-1型闸卡采集测速电机的信号，计算急停过程的需要的合适力矩，同时闸卡会向37号比例调节阀发出控制16号阀开启的信号，从而达到所需的减速度。其中37号比例调节阀、132阀的低值的设定压力为Pb，该压力与减速负载所需要的最大制动力矩一致。直至提升机的速度减为零，制动单元的全力矩作用在制动盘。

4 结论

本文所述的恒减速液压站的所有控制阀全部集中安装在阀块上，能够有效减少管路，同时回油路径采用双回路，安全系数显著增高。通过对提升机恒减速液压站的组成及急停时系统压力供应、回油路线的分析，对恒减速制动系统有了更深刻的认识，方便日后对制动系统的维护。

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